專利名稱：高細管高效水力發(fā)電方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高細管高效水力發(fā)電方法及系統(tǒng)，屬于水力發(fā)電領域。
背景技術：
水電站利用水庫來蓄水，水庫庫容越大存儲的水量越大，水庫蓄存的水能就越多。 具有一定流速的水流含有動能，流速越高具有的動能就越大；處于一定高度的水流具有勢 能，相對高度越大具有的勢能就越大。水流從高處流向低處，可以將勢能轉化為動能，水流 獲得更高的速度。水庫里儲蓄的水在重力作用下獲得高的速度，沿壓力引水管向下輸移，在 水輪機接口處獲得更高的速度。具有一定速度的水流驅動水輪機轉動，使水輪機獲得機械 能；水輪機驅動發(fā)電機，將機械能轉化為電能。傳統(tǒng)上水電站水輪發(fā)電機組輸出功率的計算 公式都采用如下數(shù)學公式[13]:
P = 9.80nQH (1) 式中P為水輪發(fā)電機組輸出功率(kW) ， Q為發(fā)電流量，H為發(fā)電水頭，n為水輪機
發(fā)電效率。 式(1)是在假設壓力引水管入口處水流速度、壓強與水輪機出水口處水流速度、 壓強相等的前提下得出的。也就是說，水輪發(fā)電機組輸出功率的傳統(tǒng)計算方法只包括勢能， 而沒有包括動能、壓能。傳統(tǒng)計算方法，沒有考慮水流動能和壓能在水庫、壓力引水管、水輪 機、尾水管的輸移，因此在結構和工藝上也沒有對水庫、壓力引水管、水輪機、尾水管進行針 對性改進和優(yōu)化，使得水能沒有得到充分和高效的利用。 水輪發(fā)電機組從水庫水體勢能、動能和壓能轉化而成的電能主要與水庫落差、壓 力弓I水管入口處水流速度和水庫蓄水水位等有關系。 水電能源是以發(fā)電為主兼顧其他綜合利用的資源，為了能夠對其利用進行合理的 優(yōu)化，必須通過數(shù)學方法求出其總量，建立函數(shù)模型。水電能源是由自然水資源所蘊藏的 能量轉化而來，主要是存在于水體中的壓能、勢能、沖擊動能以及水體重力做功所產(chǎn)生的能 (1)進水口處水體微元具有的能量 假設水電站某機組壓力道管為圓柱形，進水口處一個在x方向上微長度為dx的水
體微元，則該水體微元的受力有重力、水壓強及水庫四級水體重力分量對其作用力。在這些
作用力共同作用下，水體微元沿著壓力引水管進口向出口運動并推動水輪機組轉動，最終
實現(xiàn)水能_機械能_電能的耦合轉換，水輪發(fā)電機組產(chǎn)生電能輸出。 壓強沿壓力引水管方向分量對水體微元所做的功或者所具有的能量W工為% = = (7/ - /fj/).丄?！?gt;2血=丄;r/ Z)2 (// - i/, )dx (2)
4 4 其中PpVw、H工、D為壓力引水管入口處水體微元的體積、壓強、水位、直徑，H為水 庫蓄水水位，P為水的比重，a為壓力引水管傾斜角。 水體微元重量在壓力引水管入口處所形成的壓力沿壓力引水管方向的分量所做
3的功或者所具有的能量為M,=戶丄=^;zDV-i/2;c (3)
4 設重量為nv、體積為Vw的水體微元在壓力引水管進水口處的速度為Vl, j,i，則其具 有的動能為
12 11 2 2 1 22
=;^wwVi =^~."7"pD cbc'v, 二；^.;ryQD v!dx (4) 重量為nv、體積為Vw的水體微元在壓力引水管進水口處所具有勢能為
五,=/mw . //， = "^;rpD2//！. <k (5) (2)出水口處水體微元具有的能量 對水輪機做功后運動到下游的水體微元，假設水電站水輪發(fā)電機組在水輪機出水 口處的壓強為P。，則該壓強對重量為nv、體積為Vw的水體微元所做的為 『。=尸。.rw = ^;rf)2尸ocU: (6) 重量為mw的水體微元在水輪機出水口處截面所形成的壓力沿壓力道管方向的分 量所做的功或者所具有的能量為
似。=Mi = ^;zD2/^d2;c (7)
設重量為nv、體積為Vw的水體微元在水輪機出水口處的速度為v。，則其具有的動
《。= 一 附w《=+. i -2<^.《=:."/Q02《dx (8)
重量為nv、體積為Vw的水體微元在水輪機出水口處所具有的勢能為 五。=附w //0 = ^;rpD2i/。 . dc (9)
其中H。為水電站水輪機出水口處的高程。 (3)機組電能計算
上游水體微元經(jīng)過水輪機做功運動到引水管出口 ，根據(jù)能量守恒定律，水輪機獲
t或功為
￡G =『,十i^ —『0 —《0 —五o —A/0
;rD2 cos-/^-■PJctc ;rp;D2 cosa[vf -v:]血
: 4 —ii ■
+ ^ 、 1——^~ (10) 4
令kp為水電站機組水輪機出水口處與壓力道管進水口處水體壓強之比 、=| (11)
尸I
kv為梯級水電站機組水輪機出水口處與壓力道管進水口處水體流速之比 能為
得的能』
、-丄 (12) HD為水電站機組壓力道管進水口處與水輪機出水口處之間的落差
HD = H廠H。 (13) 把水輪機獲得的能量或功用電功率表示，則梯級水電站j第i臺機組以kW為單位 (lkW = 102kg. m/s)在時段dt內(nèi)所產(chǎn)生的出力可以表示 & 4[(1-W+一X) + "d〗2g (14) 102 2g
1, 血其中qg為機組發(fā)電流量，^g =丁;^、,^ =丁。
4 欲 對式(14)整理，得WG =9.8[(1 —、)A +^_Vl3(i-、) + //D]gG (15) 從式(15)可以看出，水電站水庫可利用的水能包括水體壓能、動能、勢能，利用水 輪發(fā)電機組所獲得的電能同水電站落差、發(fā)電流量有關，還與壓力引水管進出口水體的壓 力、速度、引水管傾角以及水電站的庫容特征等參數(shù)有密切關系。 傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組都是采用上述式(1)的傳統(tǒng)計算方法來確定其裝機容量的。
本發(fā)明的作者經(jīng)過多年研究，得出如下結論 1)水力發(fā)電機是通過水庫、壓力引水管、水輪機、發(fā)電機和尾水管將水能轉化為機 械能在轉化為電能的，電能包括動能、勢能和壓能等三種分量。 2)動能分量與壓力引水管入水口處及水輪機出水口處水流速度的平方差成正比。
壓力引水管入水口處水流速度大而將水輪機出水口處水流速度控制得小，動能分量將會增
大；壓力引水管入水口處及水輪機出水口處水流速度相等，動能分量為0。 3)壓能分量與壓力弓I水管入水口處及水輪機出水口處水流壓強之差值成正比。壓
力引水管入水口處水流所受壓強大而將水輪機出水口處水流壓強控制得小，壓能分量將會
增大；壓力引水管入水口處及水輪機出水口處水流速度相等，壓能分量為0。
發(fā)明內(nèi)容
基于上述的分析，本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種高細管高效水力發(fā)電
方法及系統(tǒng)，充分利用海拔較高的水體，增加勢能分量，在實現(xiàn)同等功率的發(fā)電量前提下，
使水體流量減小。 本發(fā)明的技術方案如下 高細管高效水力發(fā)電方法，海拔較高的水庫，或是高空中人工水池，使用壓力細管 將水流引下，形成高速水流，進入壓力道管，推動水輪機發(fā)電。其作用在于，通過增加壓力引 水管的長度，獲得更大的水體勢能，在獲得相等的Ne前提下，可減小水體流量。即在水體流 量較小的情況下，能夠輸出同等的電能。另外，將尾水管做成喇叭形狀，可充分利用水能中 的動能分量，使動能轉換為電能的效率提高。 高細管高效水力發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫、高細壓力引水管、水輪機、發(fā)電機、尾水管， 其特征在于壓力引水管既長又細，且尾水管管徑大于壓力弓I水管管徑。 上述的高細管高效水力發(fā)電系統(tǒng)，所述的高細管為壓力引水管，其高度的數(shù)量級達到103m，甚至更大，且其管徑較細，可做到幾到幾十厘米。 本發(fā)明的優(yōu)點在于通過對水力發(fā)電系統(tǒng)的壓力引水管系統(tǒng)進行創(chuàng)新設計，使壓 力引水管進水口速度與水體的勢能得到提高，從而實現(xiàn)低水體流量同等發(fā)電電能；喇叭形 的尾水管設計，增大了水能中的動能分量轉化為電能，提高發(fā)電效率，水能的利用效率也就更高。
附圖為本發(fā)明高細管高效水力發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
如圖所示，1為水庫，2為高細壓力引水管，3為水輪機，4為發(fā)電機，5為尾水管。高 細壓力引水管2的進水口與水庫1連接，高細壓力引水管2的出水口與水輪機3的進水口 連接。水輪機3的出水口與大管徑尾水管5的進水口直接連接。 以管長2km的壓力引水管2為例，而一般的水體落差只有10_100m，且口徑直徑達 幾米。水體落差的加大，在不考慮壓力引水管中水流速度與水體壓能的變化的情況下，在發(fā) 電機輸出同等數(shù)量的電能時，若使用所列出的壓力引水管，其管口徑可降到0.01m，水體流 量也可約降到原來的1/200到1/20，甚至更小，從而大大減小發(fā)電用水量。對于喇叭形的尾 水管，若尾水管出水口口徑設計為壓力引水管口徑的k倍，就能夠使喇叭形尾水管水流速 度減小l/k，喇叭形尾水管水流速度的減小，就能夠增大壓力引水管和喇叭形尾水管水流速 度的差值，從而使得更大的水流動能分量轉化為電能，提高水能利用率，增強水能發(fā)電的高 效性。 對于高海拔的水庫、水池，可以使用自然界中高山形成的積水池；技術允許時，也 可創(chuàng)造高空水池，在水池上空實施人工降雨，而形成一個水源，此時水體落差就可以增加到 更大，也就節(jié)約了更多的水體流量。
權利要求
高細管高效水力發(fā)電方法，其特征在于，水頭超高，壓力引水管細長，且尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
2. 高細管高效水力發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫、高細壓力引水管、水輪機、發(fā)電機、尾水管，其 特征在于，水頭超高，壓力引水管細長，尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高細管高效水力發(fā)電的方法及其系統(tǒng)，其特征在于壓力引水管的高度的數(shù)量級達到103m，甚至更大，且其管徑較細，只有幾到幾十厘米；尾水管管徑大于壓力引水管管徑。通過增大水流落差，獲得更大的水體勢能轉化為電能，從而節(jié)約水體流量；又增大壓力引水管和尾水管水流速度之差值，增大水能中動能分量轉化為電能，提高發(fā)電效率。
文檔編號F03B13/00GK101713369SQ200910114600
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權日2009年12月1日
發(fā)明者何芬, 吳杰康, 彭斌 申請人:廣西大學